Name: measurement of the directional information flow in fnirs-hyperscanning data using the partial wavelet transform coherence method
Uploaded: 2021-09-03T14:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measurement of the Directional Information Flow in fNIRS-Hyperscanning Data using the Partial Wavelet Transform Coherence Method at JoVE.com

Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China (61977008) och Young Top Notch Talents of Ten Thousand Talent Program.

Det mänskliga experimentprotokollet godkändes av Institutional Review Board och Ethics Committee of the State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning vid Beijing Normal University. Alla deltagare gav skriftligt informerat samtycke innan experimentet började.
1. Simuleringsexperimentet
<ol><li>Generera två tidsserier av signaler som korrelerar med varandra, där en signal har autokorrelation vid en tidsfördröjning på 4 s. Ställ in korrelationskoefficienten för r mellan ...

I hyperscanningstudier är det vanligtvis viktigt att beskriva riktnings- och tidsmönstren för informationsflödet mellan individer. De flesta tidigare fNIRS hyperscanning-studier har använt traditionell WTC25 för att härleda dessa egenskaper genom att beräkna den tidsfördröjningen INS. Men som en av de inneboende egenskaperna hos fNIRS-signalen20,21 kan autokorrelationseffekten förvirra den tidsfördröjningade INS. För att lös...

Social interaktion är av avgörande betydelse för människor 1,2. För att förstå den neurokognitiva mekanismen med dubbla hjärnor för social interaktion har hyperscanningsmetoden nyligen använts i stor utsträckning, vilket visar att mönstren för interpersonell neural synkronisering (INS) mycket väl kan karakterisera den sociala interaktionsprocessen 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 ,13,14. Bland de senaste studierna är ett intressant resultat att rollskillnaden hos individer i en dyad kan leda till ett tidsfördröjningsmönster av INS, dvs INS uppstår när hjärnaktiviteten hos en individ släpar efter en annan individs med sekunder, såsom den från lyssnare till talare 5,9, från ledare tillanhängare 4, från lärare till elever8, från mödrar till barn13,15 och från kvinnor till män i ett romantiskt par6. Viktigast av allt är att det finns en bra korrespondens mellan intervallet för den tidsfördröjningen INS och det för sociala interaktionsbeteenden, till exempel mellan lärare som ifrågasätter och elever som svararpå 8 eller mellan föräldrabeteenden hos mödrar och efterlevnadsbeteenden hos barn15. Således kan tidsfördröjning ins återspegla ett riktat informationsflöde från en individ till en annan, vilket föreslås i en ny hierarkisk modell för interpersonell verbal kommunikation16.
Tidigare beräknades den tidsfördröjningen INS huvudsakligen på den funktionella nära-infraröda spektroskopisignalen (fNIRS) på grund av dess relativt höga rumsliga upplösning, ljudanatomiska lokalisering och exceptionellt hög tolerans för rörelseartefakter17 när man studerade naturalistiska sociala interaktioner. För att exakt karakterisera korrespondensen mellan den neurala tidsfördröjningen och beteendemässig tidsfördröjning under social interaktion är det dessutom viktigt att erhålla INS-styrkan för varje tidsfördröjning (t.ex. från ingen tidsfördröjning till en tidsfördröjning på 10 s). För detta ändamål tillämpades tidigare proceduren för wavelet transform coherence (WTC) i stor utsträckning efter att ha flyttat hjärnsignalen för en individ framåt eller bakåt i förhållande till en annanindivids 5,6,18. När du använder detta traditionella WTC-förfarande för fNIRS-signaler finns det en potentiell utmaning eftersom den observerade tidsfördröjningen INS kan förväxlas av autokorrelationseffekten av fNIRS-signalen för en individ 19,20,21. Till exempel, under en dyadisk social interaktionsprocess, kan signalen från deltagare A vid tidpunkten t synkroniseras med deltagarens B vid samma tidpunkt. Under tiden kan signalen från deltagare A vid tidpunkten t synkroniseras med deltagarens A vid en senare tidpunkt t + 1 på grund av autokorrelationseffekten. Därför kan en falsk tidsfördröjning inträffa mellan signalen från deltagare A vid tidpunkten t och den från deltagare B vid tidpunkten t + 1.
Mihanović och hans kollegor22 introducerade först en metod som kallades partiell wavelet transform coherence (pWTC) och tillämpade den sedan i marin vetenskap23,24. Det ursprungliga syftet med denna metod var att kontrollera det exogena förvirrande bruset när man uppskattade koherensen mellan två signaler. Här, för att ta itu med autokorrelationsproblemet i fNIRS hyperscanningsdata, utvidgades pWTC-metoden för att beräkna tidsfördröjning ins på fNIRS-signalen. Exakt kan en tidsfördröjning INS (och ett riktat informationsflöde) från deltagare A till deltagare B beräknas med hjälp av ekvationen nedan (ekvation 1) 23.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62927/62927eq01.jpg">
Här antas det att det finns två signaler, A och B, från deltagarna A respektive B. Förekomsten av signal B föregår alltid signal A med en tidsfördröjning på n, där WTC (At, Bt + n) är den traditionella tidsfördröjningen WTC. WTC (At, At + n) är den autokorrelerade WTC i deltagare A. WTC (At, Bt) är den tidsjusterade WTC vid tidpunkten t mellan deltagare A och B. * är den komplexa konjugatoperatören (figur 1A).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62927/62927fig01.jpg"> Bild 1: Översikt över pWTC. (A) Logiken i pWTC. Det finns två signaler A och B, inom en dyad. Förekomsten av A följer alltid B med en fördröjning n. En grå låda är ett wavelet-fönster vid en viss tidpunkt t eller t + n. Baserat på pWTC-ekvationen (representerad i figuren) måste tre WTC beräknas: den tidsfördröjningade WTC för At + n och Bt; den autokorrelerade WTC i deltagare A av At och At + n; och den tidsjusterade WTC vid tidpunkten t, At och Bt. (B) Layouten för optodsonduppsättningar. CH11 placerades vid T3 och CH25 placerades vid T4 efter det internationella 10-20-systemet27,28. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62927/62927fig01large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>
Detta protokoll introducerade först ett simuleringsexperiment för att visa hur väl pWTC löser autokorrelationsutmaningen. Sedan förklarade den hur man utför pWTC på ett steg-för-steg-sätt baserat på ett empiriskt experiment av naturalistiska sociala interaktioner. Här användes ett kommunikationssammanhang för att introducera metoden. Detta beror på att den tidsfördröjningade INS tidigare vanligtvis beräknades i ett naturalistiskt kommunikationssammanhang 3,4,6,8,13,15,18. Dessutom genomfördes en jämförelse mellan pWTC och den traditionella WTC och validering med Granger-kausalitetstestet (GC).

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>fNIRS topography system</td>
			<td>Shimadzu Corporation</td>
			<td>Shimadzu LABNIRS systen</td>
			<td>LABNIRS system contains 40 emitters and 40 detectors for fNIRS signals measurement. In this protocol we used these emitters and detectors created two customized 26-channels probe sets and attached to two caps accroding to 10-20 system. Further, LABNIRS system also contains built-in GUI softwares for data quality check, data convert and data export.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>The MathWorks, Inc.</td>
			<td>MATLAB 2019a</td>
			<td>In this protocol, several toolboxs and functions bulit in MATLAB were used: 
			SPM12 toolbox was used to normalize the valided MRI data through its GUI. 
			NIRS_SPM toolbox was used to project the MNI coordinates of the probes to the AAL template through its GUI. 
			Homer3 toolbox was used to remove motion artifacts through its function hmrMotionCorrectWavelet with default parameters. 
			Wavelet toolbox was used to compute WTC and pWTC through its function wcoherence.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MRI scanner</td>
			<td>Siemens Healthineers</td>
			<td>TRIO 3-Tesla scanner</td>
			<td>In this protocol, the MRI scanner was used to obtain MNI coordinates of each channel and optpde. Scan parameters are described in main text.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>customized caps</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>In this protocol, we first marked two nylon caps with 10-20 system. Then, we made two 26-channels customized optode probes sets. Finally, we attached probes sets to caps aligned with landmarks.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measurement of the directional information flow in fnirs-hyperscanning data using the partial wavelet transform coherence method

Social interaktion är av avgörande betydelse för människor. Medan hyperscanning-metoden i stor utsträckning har använts för att studera interpersonell neural synkronisering (INS) under sociala interaktioner, är funktionell nära-infraröd spektroskopi (fNIRS) en av de mest populära teknikerna för hyperskanning av naturalistiska sociala interaktioner på grund av dess relativt höga rumsliga upplösning, ljudanatomiska lokalisering och exceptionellt hög tolerans för rörelseartefakter. Tidigare fNIRS-baserade hyperscanningstudier beräknar vanligtvis en tidsfördröjning INS med hjälp av wavelet transform coherence (WTC) för att beskriva riktningen och det tidsmässiga mönstret för informationsflödet mellan individer. Resultaten av denna metod kan emellertid förväxlas av autokorrelationseffekten av fNIRS-signalen för varje individ. För att ta itu med denna fråga introducerades en metod som kallades partiell wavelet transform coherence (pWTC), som syftade till att ta bort autokorrelationseffekten och upprätthålla den höga tidsspektrumupplösningen för fNIRS-signalen. I denna studie utfördes ett simuleringsexperiment först för att visa effektiviteten av pWTC för att ta bort effekten av autokorrelation på INS. Därefter erbjöds steg-för-steg-vägledning om driften av pWTC baserat på fNIRS-datasetet från ett socialt interaktionsexperiment. Dessutom gjordes en jämförelse mellan pWTC-metoden och den traditionella WTC-metoden och den mellan pWTC-metoden och Granger-kausalitetsmetoden (GC). Resultaten visade att pWTC kunde användas för att bestämma INS-skillnaden mellan olika experimentella förhållanden och INS: s riktnings- och tidsmönster mellan individer under naturalistiska sociala interaktioner. Dessutom ger den bättre tids- och frekvensupplösning än den traditionella WTC och bättre flexibilitet än GC-metoden. Således är pWTC en stark kandidat för att härleda riktningen och det tidsmässiga mönstret för informationsflödet mellan individer under naturalistiska sociala interaktioner.

Simuleringsresultat Resultaten visade att den tidsfördröjningen INSWTC med autokorrelation var signifikant högre än den tidsfördröjningen INSWTC utan autokorrelation (t (1998) = 4,696, p < 0,001) och tidsfördröjning inspWTC (t (1998) = 5,098, p < 0,001). Dessutom fanns det ingen signifikant skillnad mellan tidsfördröjning INSWTC utan autokorrelation och INSpWTC (t (1998) = 1.573, p = 0.114, <s...

Watch this Scientific Journal Video about Measurement of the Directional Information Flow in fNIRS-Hyperscanning Data using the Partial Wavelet Transform Coherence Method at JoVE.com

Measurement of the Directional Information Flow in fNIRS-Hyperscanning Data using the Partial Wavelet Transform Coherence Method

Detta protokoll beskriver partiell wavelet transform koherens (pWTC) för beräkning av det tidsfördröjningsmönstret för interpersonell neural synkronisering (INS) för att härleda riktningen och det tidsmässiga mönstret för informationsflödet under social interaktion. Effektiviteten av pWTC för att avlägsna förvirringen av signalautokorrelation på INS bevisades av två experiment.

Mätning av riktningsinformationsflödet i fNIRS-hyperskanningsdata med hjälp av partialvåglettransformkoherensmetoden

Social interaction is of vital importance for human beings. While the hyperscanning approach has been extensively used to study interpersonal neural ...

Hyperscanning är en lovande metod för att beskriva relationen mellan individer och som i denna studie finner neural synkronisering mellan individer. Och den viktigaste frågan är att identifiera vem som synkroniserar med vem. Och metoden vi föreslår här är att identifiera riktningen för informationsflödet mellan individer.Jämfört med andra metoder är den viktigaste fördelen med denna metod att ta bort de olika förvirrande faktorerna från den neurala synkroniseringen. Till exempel autokorrelationen i varje signal. Och under tiden kan vi upprätthålla den höga rumsliga anatomiska upplösningen för varje signal.Starta dataförbehandlingen genom att exportera hemoglobinkoncentrationen ändrar datafiler från utrustningen och överföra filerna till MATLAB läsbart format. Ta sedan bort de första och sista 15 sekunderna av data för varje session för att undvika tillfälliga svar och använd den inbyggda FUNKTIONEN MATLAB decimera för att nedsampla data från 55,6 hertz till 11,1 hertz. Om du vill korrigera rörelseartefakter använder du den diskreta wavelet-transformeringsfiltermetoden med lämplig filtreringsfunktion.Använd den inbyggda PCA-funktionen för att ta bort globalt fysiologiskt brus. Ta sedan bort de översta 80% av variansen från signalerna. Efter att ha tagit bort de första två sekunderna av data från kvinnor och de sista två sekunderna av data från män, beräkna det kvinnoledda två andra laggade INS WTC-värdet med ekvationen.På samma sätt, efter att ha tagit bort de första två sekunderna av data från män och de sista två sekunderna av data från kvinnor, beräkna det män ledda två andra fördröjda INS WTC-värdet. Upprepa proceduren med olika tidsfördröjningar, N, som N är lika med fyra eller sex eller åtta sekunder, över de potentiella 676 CH-paren och beräkna styrkan hos kvinnor och män-ledda tidsfördröjning ins wtc med ekvationen som beskrivits tidigare. Beräkna INS pWTC med pWTC på samma sätt med ekvationen.Generera de tidsfördröjningsserierna för fNIRS-signalerna mellan män och kvinnor och beräkna värdena för den tidsfördröjningen WTC vid olika tidsfördröjningar. Generera autokorrelerade tidsserier av mäns fNIRS-signaler genom att ta bort de första två sekunderna och de två sista sekunderna av data från männen. Beräkna sedan det två sekunders autokorrelerade värdet för män.Utvärdera sedan de autokorrelerade WTC-värdena vid olika tidsfördröjningar. På samma sätt skapar du en tidsjusterad tidsserie för fNIRS-signalerna genom att ta bort de första två sekunderna av data från männen och kvinnorna. Beräkna sedan den två sekunders tidsjusterade WTC.Utvärdera sedan de tidsjusterade WTC-värdena vid olika tidsfördröjningar. Ange tidsjusterade WTC, tidsfördröjning WTC och autokorrelerade WTC-värden vid olika tidsfördröjningar i ekvationerna för pWTC, vilket genererar INS pWTC. I fNIRS-databehandlingen på andra nivån tar du bort fysiologiskt brus och frekvensband för varje signal över 0,7 hertz.Ta sedan bort frekvensbanden för varje signal under 0,01 hertz och inom 0,15 till 0,3 hertz för att filtrera bort mycket lågfrekventa fluktuationer. Transformera INS med Fisher Z-transformation och sedan genomsnittlig INS vid den tidsmässiga dimensionen. För den genomsnittliga INS vid varje tidsfördröjning, utför ett parat två prov t-test på varje CH-par över frekvensområdet.Identifiera sedan alla betydande frekvenskluster. Omfördela dyadiska relationer genom att slumpmässigt tilldela deltagarna till nya, två medlemspar, som deltagarna i en diad som aldrig hade kommunicerat med varandra. Utför ett klusterbaserat permutationstest för att fastställa ett tröskelvärde för resultaten.Beräkna om INS i varje tidsfördröjning. Utför parade t-tester i det nya provet och identifiera signifikanta frekvenskluster. Välj sedan klustret med det största summerade T-värdet innan du upprepar procedurerna 1 000 gånger för att generera en null-fördelning av de maximala falskt positiva T-värdena.Jämför det summerade T-värdet för varje identifierat frekvenskluster i det ursprungliga provet med nollfördelningen för att få signifikanta statistiska resultat. En simuleringsanalys genomfördes i studien. Den representativa analysen illustrerar att den tidsförsläpande INS WTC med autokorrelation var signifikant högre än den tidsfördröjningen INS WTC utan autokorrelation och tidsfördröjning INS pWTC.Dessutom fanns det ingen signifikant skillnad mellan den tidsfördröjningen INS WTC utan autokorrelation och INS pWTC, vilket indikerar effektiviteten hos pWTC för att avlägsna effekten av autokorrelationseffekten på INS. En marginell signifikant kontexteffekt observerades inom 0,4 till 0,6 hertz, vilken av männen släpade efter kvinnornas med fyra sekunder. Däremot observerades för INS pWTC endast signifikant kontexteffekt inom 0,4 till 0,6 hertz när sensorn och motorcortexaktiviteten hos män släpade efter kvinnornas med fyra sekunder.Den riktade INS från kvinnor till män var betydligt högre i konfliktsammanhangen än i de stödjande sammanhangen. Resultaten av INS pWTC validerades med Granger-kausalitetsmetoden. Resultaten visade att INS GC uppvisade ett liknande mönster som INS pWTC.Den riktnings-INS som beräknades av Granger-kausalitetsanalysen från kvinnor till män var signifikant högre i konfliktsammanhangen än i de stödjande sammanhangen. Efter beräkning av den neurala synkroniseringen med den här metoden är det också möjligt att utföra många andra metoder. Vi kan till exempel jämföra detta riktade informationsflöde mellan olika sociala anslutningskontexter och den sociala anslutningen i olika sociala relationer.Och det är också möjligt att förstå bidraget från olika kommunikationsbeteenden till den neurala synkroniseringen. Till exempel, om det är verbal kommunikation eller icke-verbal kommunikation spelar en viktigare roll i den neurala synkroniseringen.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Using Informational Connectivity to Measure the Synchronous Emergence of fMRI Multi-voxel Information Across Time

Använda Informations Anslutningar till Mät synkron Uppkomsten av fMRI Multi-voxel Information Across Time

It is now appreciated that condition-relevant information can be present within distributed patterns of functional magnetic resonance imaging (fMRI) brain ...

Simultaneous Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Light Scattering Properties of the In Vivo Rat Brain Using Multispectral Diffuse Reflectance Imaging

Simultaneous Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Light Scattering Properties of the In Vivo Rat Brain Using Multispectral Diffuse Reflectance Imaging

Samtidig utvärdering av cerebral Hemodynamik och ljusspridande egenskaper hos<em&gt; In Vivo</em&gt; Rat Brain Använda Multispektrala diffus reflektans Imaging

The simultaneous evaluation of cerebral hemodynamics and the light scattering properties of in vivo rat brain tissue is demonstrated using a conventional ...

Quadruple Immunostaining of the Olfactory Bulb for Visualization of Olfactory Sensory Axon Molecular Identity Codes

Quadruple Immunostaining av Olfactory Bulb för Visualisering av Olfactory Sensory Axon Molecular Identity Codes

The mouse olfactory system is often used to study mechanisms of neural circuit formation&#12288;because of its simple anatomical structure. An Olfactory ...

Ocular Kinematics Measured by In Vitro Stimulation of the Cranial Nerves in the Turtle

Ocular Kinematics Measured by In Vitro Stimulation of the Cranial Nerves in the Turtle

Okulär kinematik mätt In Vitro stimulering av kranialnerver i sköldpaddan

After animals are euthanized, their tissues begin to die. Turtles offer an advantage because of a longer survival time of their tissues, especially when ...

Simultaneous Recordings of Cortical Local Field Potentials, Electrocardiogram, Electromyogram, and Breathing Rhythm from a Freely Moving Rat

Samtidiga inspelningar av kortikala lokala fältet potentialer, elektrokardiogram, Elektromyogram och andas rytm från en fritt rörliga råtta

Monitoring the physiological dynamics of the brain and peripheral tissues is necessary for addressing a number of questions about how the brain controls ...

A Volumetric Method for Quantification of Cerebral Vasospasm in a Murine Model of Subarachnoid Hemorrhage

En volymetrisk metod för kvantifiering av Cerebral Vasospasm i en murin modell av subarachnoidalblödning

Subarachnoid hemorrhage (SAH) is a subtype of hemorrhagic stroke. Cerebral vasospasm that occurs in the aftermath of the bleeding is an important factor ...

Retinal Vascular Reactivity as Assessed by Optical Coherence Tomography Angiography

Retinal Vaskulär reaktivitet som bedöms av optisk koherens Tomography Angiography

The vascular supply to the retina has been shown to dynamically adapt through vasoconstriction and vasodilation to accommodate the metabolic demands of ...

Reliable Acquisition of Electroencephalography Data during Simultaneous Electroencephalography and Functional MRI

Tillförlitligt förvärv av elektroencefalografidata under samtidig elektroencefalografi och funktionell MRT

Simultaneous electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI), EEG-fMRI, combines the complementary properties of scalp EEG ...

Inter-Brain Synchrony in Open-Ended Collaborative Learning: An fNIRS-Hyperscanning Study

Inter-Brain Synchrony i open-ended collaborative learning: En fNIRS-Hyperscanning-studie

fNIRS hyperscanning is widely used to detect the neurobiological underpinnings of social interaction. With this technique, researchers qualify the ...

How to Calculate and Validate Inter-brain Synchronization in a fNIRS Hyperscanning Study

Hur man beräknar och validerar synkronisering mellan hjärnor i en fNIRS Hyperscanning-studie

The dynamics between coupled brains of individuals have been increasingly represented by inter-brain synchronization (IBS) when they coordinate with each ...